Polovodičové senzory. Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy

Transkript

1 Polovodičové senzory Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy

2 Polovodičové materiály elementární polovodiče Elementární IV skupina V skupina VI skupina VII skupina B (1.1eV) C (5.2eV) Si (1.1eV) P (1.5eV) S (2.5eV) Ge (0.67eV) As (1.2eV) Se (1.8eV) Sn (0.08eV) Sb (0.12eV) Te (0.36eV) I (1.25eV)

3 polovodičové sloučeniny Sloučeniny A IV B VI PbS PbSe PbTe A II B VI ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe HgSe HgTe A III B V BN AlN AlP AlAs AlSb GaP GaAs GaSb InP InAs InSb První skupina - pro konstrukci Hallových sond. Druhá skupina - fotoodpory, fotodetektory v IR oblasti a pro lasery. Třetí skupina - značný podíl iontové vazby (30-50%) tvoří tuhé roztoky: Al 0.3 Ga 0.7 As je tvořen 30 mol% AlAs a 70 mol% GaAs InAs 0.8 P 0.2 je tvořen 80 mol% InAs a 20 mol% InP vlastnosti tuhých roztoků (šířka zakázaného pásu, pohyblivosti nosičů proudu) jsou dány složením. užití je u optoelektronických součástek a detektorů záření

4 Srovnání vlastností polovodič b.t. [C] Eg [ev] µa [m 2 V -1 s -1 ] µp Ge Si PbS CdS CdSe AlSb GaSb InSb GaAs InAs SiC

5 Teplotní závislost PN přechodu využívá měření klidových proudů PN přechodů u tranzistorů (emitor báze, kolektor báze) změna charakteristik v závislosti na teplotě křemík pro rozsah -50ºC až 150ºC GaAs pro rozsah od 1 K do 450 K

6 Teplotní závislost s teplotou dochází (u nevlastní vodivosti) vlivem rozptylu nosičů náboje na mřížce polovodiče ke zmenšování pohyblivosti závislost odporu senzoru 4 R[kΩ ] ( T ) 2 0 T R = RT + k 2 Teplotní koeficient senzoru 0.7 %K T[ C]

7 ρ = 1 q µ + q µ n n p p µ se mění u Si s teplotou úměrně mocnině T -2.5 (elektrony) T -2.7 (díry) µ s teplotou klesá ρ s teplotou roste R roste U vlastního polovodiče R klesá generují se volné nosiče

8 Teplotní závislost PN přechodu v propustném směru voltampérové charakteristiky PN přechodu I eu = I0 exp 1 KT U P pro U >>kt/e, U P = U BE U P = KT e I ln I I 0 má exponeciální průběh při I C = konst. a 50 až +150 C je u Si teplotní závislost U BE lineární 0

9 Teplotní závislost PN přechodu v propustném směru teplotní koeficient U BE je při pokojové teplotě cca 2.25 mv K -1 konstrukce integrovaných senzorů teploty (monolitické senzory) 0.8 U BE [V] U P T[ C]

10 Piezoodporový jev v polovodičích Změna odporu piezorezistoru R vyvolaná tlakem p R R = α rezistory páskového tvaru p R R = Faktor K závisí na typu vodivosti (P, N), krystalografické orientaci monokrystalu (100), (111), (110) a dotaci (měrném odporu) K l l

11 Fotonové jevy v polovodičích Přechod elektronu z valenčního do vodivostního hν δw mezní vlnová délka (rychlost)ν hν = δw pro záření o delších vlnových délkách fotoelektrický jev nenastává hν = δw počet uvolněných elektronů v objemu V za jednotku času je úměrný světelné energii absorbované ve V δ = δ = β k I n p t

12 Fotoproud, fotocitlivost tvorba párů elektron-díra silně závisí na vlnové délce dopadajícího světla fotoproud dosahuje maxima, dopadají-li na polovodič fotony s energií rovnou šířce zakázaného pásu c [%] Si spektrální fotocitlivost polovodičů 20 OKO Se λ [nm]

13 Vnitřní fotoelektrický jev Intrinsický jev v nedotovaném polovodiči záření generuje volné páry elektron-díra, interreagující foton má minimálně energii rovnou energii (šířce) zakázaného pásu E g hc hν = λ E g Intrinsická dlouhovlnná hrana λ 0 Polovodič CdS GaP GaAs Si Ge PbS λ0 [µm] = hc E g

14 Vnitřní fotoelektrický jev Extrinsický jev v dotovaném polovodiči záření generuje páry volný elektron-vázaná díra nebo volná díra-vázaný elektron, minimální energie fotonu hν E i Extrinsická dlouhovlnná hrana λ 0 = hc E i Příměs In Ga Al As P B Sb E i [ev] λ0 [µm]

15 Vnitřní fotoelektrický jev Interakce fotonů s volnými nosiči náboje Lokalizovaná excitace elektronů do vyššího energetického stavu V senzorice jsou nejvíce využívány první dva fotoelektrické jevy, které lze nalézt u senzorů pracujících na fotovodivostním a fotovoltaickým principu. Fotovodivostní změna elektrické vodivosti polovodiče vyvolaná dopadajícími fotony (odporové senzory mapř. s CdS,přechod PN) Fotovoltaický podmínkou je existence vnitřní potenciálové bariéry s elektrickým polem na separaci generovaných nosičů náboje (přechod PN) generátorový senzor

16 Fotodioda III. kvadrant fotovodivostní IV. kvadrant fotovoltaický Potenciálová bariéra v polovodiči (v senzoru) tvořena PN přechodem nebo Schottkyho přechodem. fotosignál změna proudu protékající senzorem nebo úbytek napětí na zatěžovacím odporu zapojeném v sérii se senzorem světelný tok je rovnoběžný s PN přechodem, světelný tok je kolmý na PN přechod Fototranzistory více PN přechodů

17 Radiační jevy v polovodičích Neionizující elektromagnetické záření λ = µm je viditelné spektrum λ = 0.75 desítky µm je infračervené pásmo Dva způsoby interakce Tepelné bolometrický jev U B = i R = 2α R T senzory na bázi Ge a Si, pracují při teplotách 4.2 K mají citlivost a V.W -1 při detekci vzdálené infračervené oblasti Termistorové a vrstvové (Tl 2 SeAs 2 Te 2 ) bolometry pro oblast viditelného a blízkého IR záření mají citlivost V.W -1 Fotonové

18 Radiační jevy v polovodičích Ionizující elektromagnetické záření elektrony, protony, α částice fotony γ a RTG (elektromagnetické záření velmi krátkých vlnových délek) Při průletu polovodičem ionizují atomy polovodiče (přímo nebo nepřímo) vytváří se volné nosiče náboje Využití pro detekci ionizujícího záření, získání informací o energetickém spektru

19 Energie ionizujícího záření Rozptyluje (absorbuje) se v polovodiči ionizací a částečně se spotřebovává na fotonovou emisi (ohřev mřížky). Užitečný signál vytvářejí pouze nosiče náboje vznikající ionizací. Celkový počet generovaných párů elektron-díra je lineární funkcí rozptýlené energie E a prakticky nezávisí na druhu záření počet generovaných párů (pro střední hodnotu ionizační energie) N = E ε

20 Detektor ionizujícího záření Elektrony a díry generované ionizačním procesem se musí v detektoru rychle a s nejmenším ztrátami transportovat k elektrodám a transport párů elektron-díra zabezpečuje vnitřním elektrickým polem v objemu detektoru Využívá se PN nebo PIN struktury + polarizované v závěrném směru N I + P + γ,x α,e -

21 Detektor ionizujícího záření velmi čistý materiál sextrémně nízkou koncentrací záchytných center prosnížení svodových proudů pracují obvykle při nízkých teplotách (77 K) nejvíce se využívá Ge a Si rozsah energií 100 ev GeV!!

22 Magnetoelektrické jevy Magnetoodporový jev při působení magnetického pole kolmo na protékající proud roste odpor s druhou mocninou magnetické indukce jehličky antimonidu niklu tl. 1 µm, délka do 50 µm R R 0 = ρ ρ 0 ( 2 1+ B ) µ n

23 Magnetoelektrické jevy Odporový materiál tl. 20 µm (meandr), odpor několika Ω až kω, B = 0,01 T 10 T Hallův jev Hallovy senzory užívají polovodičů InSb, InAs, GaAs a Si